Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
модуляции. Хотя DSSS была изобретена
ещё в 1940-е, коммерческое применение началось только в 1995 году. Причиной
тому - отсутствие технологий позволяющих создавать малогабаритные
приёмопередатчики использующие DSSS.
Кратко о CDMA.
Представьте себе узкополосный сигнал промодулированный неким потоком
данных со скоростью, например 9600 bps. Пусть есть уникальная,
повторяющаяся, псевдослучайная цифровая последовательность со значительно
большей скоростью, скажем 1.25 Mbps. Если менять фазу узкополосного сигнала
в соответствии с псевдослучайной последовательностью, то мы получим
шумоподобный сигнал с широким спектром, содержащий в себе информацию. Если
рассмотреть, что происходит с точки зрения частоты - то получится что
информационный сигнал "расплылся" (spread) по спектру шумоподобного сигнала
(pseudonoise). Теперь осталось выдать этот широкополосный сигнал в эфир.
На пути от передатчика к приёмнику к сигналу добавятся помехи и
сигналы других передатчиков. Принятый и демодулированный сигнал перемножим
с точной копией шумоподобного сигнала, который использовался для модуляции
(здесь необходима очень высокая степень синхронизации приёмника и
передатчика) и получим узкополосную составляющую с высокой энергией на
единицу частоты - переданный поток данных. Так как помехи и сигналы от
других передатчиков не совпадают с использованным шумоподобным сигналом, то
после перемножения они ещё больше расползутся по спектру и их энергия на
единицу частоты уменьшится.
Таким образом, используя разные псевдослучайные последовательности
(коды) можно организовать несколько независимых каналов передачи данных в
одной и той же полосе частот.
Нужно сказать что вышеприведенное описание технологии DSSS сильно
упрощено, хотя, надеюсь, даёт представление о том, как это всё работает.
Преимущества CDMA.
В системах с частотным разделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA)
существует проблема так называемого "многократного использования" (reuse)
частотных каналов. Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции
должны использовать разные каналы. Таким образом, если у БС 6 соседей
(наиболее часто рассматриваемый случай, при этом зону каждой БС можно
представить как шестиугольник, а всё вместе выглядит как пчелиные соты) то
количество каналов, которые может использовать эта БС в семь раз меньше чем
общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к
уменьшению ёмкости сети и необходимости увеличивать плотность установки БС
в густонаселённых районах. Для CDMA такой проблемы вообще нет. Все БС
работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс
используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше,
чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.
Для того, чтобы телефоны находящиеся близко к БС не забивали своим
сигналом более отдалённых абонентов, в CDMA предусмотрена плавная
регулировка мощности, что приводит к значительному сокращению
энергопотребления телефона вблизи БС и, соответственно, увеличению времени
работы телефона без подзарядки.
Одной из приятных особенностей CDMA сетей является возможность
"мягкого" перехода от одной БС к другой (soft handoff). При этом, возможна
ситуация когда одного абонента "ведут" сразу несколько БС. Абонент просто
не заметит, что его "передали" другой БС. Естественно, чтобы такое стало
возможным, необходима прецизионная синхронизация БС. В коммерческих
системах это достигается использованием сигналов времени от GPS (Global
Positioning System) американской спутниковой системы определения координат.
CDMA это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все
преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и
только радиочасть аппарата является аналоговой, причём гораздо более
простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь
телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции,
тем самым значительно снизив стоимость телефона.
Цифровая сущность CDMA весьма располагает к использованию этой
технологии для безпроводной передачи данных. В рассмотренном выше примере
мы задали не очень высокую скорость, однако существующие реализации CDMA
позволяют многократно увеличивать скорость передачи данных, правда за счет
сокращения ёмкости сети.
Стандарты CDMA используют более современный кодек для оцифровки речи,
что субъективно повышает качество передачи аналогового сигнала по сравнению
с действующими TDMA стандартами.
Из минусов CDMA можно отметить необходимость использования достаточно
широкой и неразрывной полосы, что не всегда возможно в современной
обстановке дефицита частотного ресурса и большую сложность реализации
данной технологии в "железе"
Перспективы CDMA
В мире, развитие CDMA идет нарастающими темпами. Наибольшее
распространение получили стандарты IS-95 ( 800 MHz ) и CDMA PCS ( 1900 MHz
). На май 2000г в 43 странах использующих CDMA насчитывалось более 57
миллионов абонентов, причём с мая 1999 количество пользователей удвоилось.
Исторически сложилось так, что CDMA наиболее распространён в Северной и
Южной Америке и Юго-Восточной Азии. С принятием Китаем CDMA как
федерального стандарта сомнений в том, что этот стандарт станет основным на
нашей планете, практически не осталось.
Cтандарты CDMA изначально включали в себя функцию передачи данных и на
сегодня, почти все современные CDMA телефоны способны предоставлять
пользователю 14.4 Kbps цифровой канал. А сама сеть использует IP протокол
для передачи данных. Таким образом, CDMA уже сейчас полностью Internet-
совместима. Нет проблем и с более высокими скоростями. Некоторые операторы
CDMA в US уже предоставляют услуги передачи данных со скоростями до 144
Kbps. Кроме того, система используемая этими операторами позволяет
динамически изменять пропускную способность канала в зависимости от
активности клиента и загрузки сети, тем самым оптимизируя использование
ресурсов сети. По заявлениям CDMA Development Group уже сейчас достижима
скорость 300 Kbps, что вплотную приближает существующие CDMA стандарты к 3-
му поколению.
У CDMA гораздо меньше проблем с переходом к 3-му поколению по
сравнению с TDMA системами. TIA/EIA (Telecommunication Industry Association
/ Electronic Industries Alliance) предолжила группу стандартов cdma2000 (IS-
2000) которые являются развитием ныне действующего IS-95. Основные отличия
cdma2000 от своего предшественника - большее количество диапазонов для
использования в организации мобильной связи и увеличение скорости передачи
данных до 1Mbps на физическом уровне. Также добавлены новые протоколы для
обеспечения всевозможных сервисов. Особо следует подчеркнуть требование
стандарта об обратной совместимости с IS-95. Все мобильные станции cdma2000
должны работать в сетях IS-95, и соответственно все базовые станции
cdma2000 должны обслуживать мобильные станции IS-95. Более того, имеется
требование обеспечения handoff'а (перехода от одной соты к другой) между
cdma2000 и IS-95. Таким образом, возможна незаметная для пользователя
миграция сети от IS-95 к cdma2000. Также примечателен факт, что стандартом
предусмотрено использование некоторых диапазонов используемых ныне старыми
аналоговыми стандартами (например Band Class 5 (NMT-450)) что даёт
возможность операторам этих стандартов перейти от 1-го поколения сразу к 3-
ему, постепенно отдавая участки своего диапазона под cdma2000, по мере
увеличения количества абонентов пользующихся новым оборудованием. Однако
даже в cdma2000 сохранена возможность работы мобильных и базовых станций в
аналоговом режиме. Этот режим практически идентичен стандарту AMPS c A-Key
идентификацией и предназначен для обеспечения связи там, где использование
цифрового режима по тем или иным причинам невозможно.
CDMA2000 был принят в группу IMT-2000, которая определяет глобальное
виденье организацией ITU (International Telecommunication Union) систем 3-
го поколения, в качестве одного из основных радиоинтерфейсов, что позволяет
предполагать его дальнейшее распространение. Причём из-за преимуществ перед
TDMA технологиями ( стандарт UWC-136 также предлагается в качестве одного
из возможных радиоинтерфейсов в IMT-2000 ) вполне возможно распространение
CDMA и в Европе, которая на данный момент является вотчиной TDMA стандарта
GSM.
CDMA в России
В России у CDMA тяжелая судьба. На мой взгляд есть несколько причин,
по которым CDMA всячески "не пущают" на отечественный "рынок" сотовой
телефонии.
Первая - вытекает из основной особенности CDMA - у каждого абонента свой
код, который не может быть использован другими, независимо от того,
разговаривает ли абонент, находится в режиме ожидания звонка или вообще
выключил телефон. Поэтому, повременная оплата вообще не имеет смысла.
"Unlimited" напрашивается сам собой. Причём, при достаточно большой
абонентской базе она может быть весьма низкой. Даже в российских условиях
это прямая конкуренция проводным (!!!!) линиям связи, не говоря уже о
сотовых операторах. Вот и одна из причин по которым CDMA нежелателен для
нашего государства и его монополий.
Вторая - высокий уровень конфиденциальности CDMA. Подслушать из эфира
разговор можно, но стоимость и сложность оборудования способного на такое
значительно выше чем для других стандартов. Причем дело усугубляется тем,
что при незначительном удалении от БС мощность излучаемая телефоном крайне
низка, поэтому подслушивающий должен находится в непосредственной близости
от объекта наблюдения, а при значительном удалении от БС вообще не понятно
через какую БС работает телефон. И последний удар по спецслужбам - БС могут
не пользоваться проводными каналами связи для передачи сигнала от одной БС
к другой, а передавать траффик по эфиру. Всё это тоже сильно не нравится
государству.
И третья причина, вернее, повод для запрета CDMA - для синхронизации
БС используются сигналы GPS, которую так не любит наше правительство.
Шпионы ведь кругом... А без GPS возникают проблемы с мобильностью - чтобы
обеспечить "soft handoff" нужна синхронность БС. Я ещё могу понять что
американский GPS не стоит использовать в стратегических целях -
потенциальный противник, как никак. Но гражданские-то средства связи тут
причём? Тем более коммерческие.
Заявление г-на Реймана о том, что частотный диапазон используемый CDMA
подлежит изъятию под нужды цифрового телевидения - просто лапша на уши для
населения. Централизованного цифрового телевидения ещё нет. И вряд ли
появится, тем более в этом диапазоне, ибо спутниковые системы уже давно
доказали преимущества тарелочек перед телебашнями. И даже если безумные
деятели всё-таки соберуться делать это цифровое телевидение - что мешает
отвести под него другой диапазон?
Вот так коммерческие интересы монополий, и параноидальность государства
мешают развитию техники. Многие помнят, как ещё недавно каждый
копировальный аппарат находился под неусыпным надзором спецслужб, а летать
самолётами Аэрофлота было выгодно и удобно. Так вот - судя по всему -
ничего не изменилось.
Система сотовой подвижной связи CDMA
В последние годы значительный прогресс в телекоммуникационных
технологиях достигнут благодаря переходу на цифровые виды связи, которые, в
свою очередь, базируются на стремительном развитии микропроцессоров. Один
из ярких примеров этого - появление и быстрое внедрение технологии связи с
цифровыми шумоподобными сигналами на основе метода многостанционного
доступа с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple
Access), в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные,
вытесняя аналоговые NMT, AMPS и др. и составляя серьезную конкуренцию
цифровым технологиям, таким как GSM.
Замечательное свойство цифровой связи с шумоподобными сигналами -
защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Именно
поэтому данная технология была изначально разработана и использовалась для
вооруженных сил США, и лишь недавно американская компания Qualcom на основе
этой технологии создала стандарт IS-95 (CDMA one) и передала его для
коммерческого использования. Оборудование для этого стандарта уже выпускают
шесть компаний: Hughes Network Systems, Motorola и Samsung.
Общая характеристика и принципы функционирования
Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением
каналов можно пояснить на следующем примере.
Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два
человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая
на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все
разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц
до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только
его, но слышите всех.
Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой
станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый
абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е.
русский понимает только русского, немец только немца, а остальная
информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA
это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если
точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша.
В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division
Multiple Access - многостанционный доступ с кодовым разделением канала,
т.е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как
и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон
частот использует более экономично.
CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире
шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот.
Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и
то же время работают несколько абонентов, сигналы
Рис. 3 сигнал и помеха
накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все
одновременно говорят). Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в
широкой полосе частот(1,23 Мгц) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц),
сигнал примется почти неискаженный. За счет помехоустойчивого кодирования
потерянные данные система восстановит, см. рис 1, где показан полезный
сигнал.
А в стандарте GSM такое не получится. Из-за того, что GSM изначально
сам узкополосный. Ширина полосы, которая используется, равна 200 кГц.
Система CDMA фирмы Qualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800
Мгц. Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на
основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону
функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее
устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600
бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200
бит/с.
В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью
? (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции),
декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений.
Общая полоса канала связи составляет 1,25 Мгц.
Основные характеристики приведены в таблице 5.
|Диапазон частот передачи MS |824,040 – 848, 860 Мгц|
|Диапазон частот передачи BTS |869,040 – 893,970 мгц |
|Относительная нестабильность несущей частоты |+/- 5*10^-8 |
|BTS | |
|Относительная нестабильность несущей частоты |+/- 2,5*10^-6 |
|MS | |
|Вид модуляции несущей частоты |QPSK(BTS), O-QPSK(MS) |
|Ширина спектра излучаемого cигнала: |1,25 Мгц |
|по уровню минус 3 Дб |1,50 Мгц |
|по уровню минус 40 Дб | |
|Тактовая частота ПСП М-функции |1,2288 Мгц |
|Количество каналов BTS на 1 несущей частоте |1 пилот-канал |
| |1 канал синхронизации |
| | |
| |7 каналов персонально |
| |вызова |
| |55 каналов связи |
|Количество каналов MS |1 канал доступа |
| |1 канал связи |
|Скорость передачи данных: |1200 бит/с |
|В канале синхронизации |9600, 4800 бит/с |
|В канале перс.вызова и доступа |9600, 4800, 2400, 1200|
|В каналах связи |бит/с |
|Кодирование в каналах передачи BTS |Сверточный код R=1/2, |
| |К=9 |
|Кодирование в каналах передачи MS |Сверточный код R=1/3, |
| |K=9 |
|Требуемое для приема отношение энергии бита |6-7 дБ |
|информации | |
|Максимальная эффективная излучаемая мощность |50 Вт |
|BTS | |
|Максимально эффективная излучаемая мощность |6,3 – 1,0 Вт |
|MS | |
В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов,
приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что
значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При
раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой используется 4
параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции 3 коррелятора.
Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий
режим "эстафетной передачи" при переходе из соты в соту.
Мягкий режим "эстафетной передачи" происходит за счет управления подвижной
станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав
основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух
базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего
кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в
процессе непрерывной коммутации и последующего "склеивания" кадров,
принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в "эстафетной
передаче".
Протоколы установления связи в CDMA, так же как в стандартах AMPS
основаны на использовании логических каналов.
В CDMA каналы для передачи с базовой станции называются прямыми
(Forward), для приема базовой станцией - обратными (Reverse). Структура
каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана на рис:
Рис. 4
Прямые каналы в CDMA:
1. Пилотный канал - используется подвижной станцией для начальной
синхронизации с сетью и контроля за сигналами базовой станции по
времени, частоте и фазе.
2. Канал синхронизации - обеспечивает идентификацию базовой станции,
уровень излучения пилотного сигнала, а так же фазу псевдослучайной
последовательности базовой станции. После завершения указанных этапов
синхронизации начинаются процессы установления соединения.
3. Канал вызова - используется для вызова подвижной станции. После приема
сигнала вызова подвижная станция передает сигнал подтверждения на
базовую станцию, после чего по каналу вызова на подвижную станцию
передается информация об установлении соединения и назначения канала
связи. Канал персонального вызова начинает работать после того, как
подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей,
тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).
4. Канал прямого доступа - предназначен для передачи речевых сообщений и
данных, а так же управляющей информации с базовой станции на
подвижную.
Обратные каналы в CDMA:
1. Канал доступа - обеспечивает связь подвижной станции с базовой
станций, когда подвижная станция еще не использует канал трафика.
Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на
сообщения, передаваемые по каналу вызова, команды и запросы на
регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) каналами
вызова.
2. Канал обратного трафика - обеспечивает передачу речевых сообщений и
управляющей информации с подвижной станции на базовую станцию.
Структура каналов передачи базовой станции показана на рис. 5:
Рис. 5
Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша. Всего в одном
физическом канале логических каналов может быть 64, т.к.
последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические
каналы, всего 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита. Из всех 64
каналов на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0) которому
соответствует "Пилотный канал", на следующий канал назначается тридцать
второй код Уолша (W32), следующим 7-ми каналам так же назначаются свои коды
Уолша (W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7) которым соответствуют каналы вызова,
|
